СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ НАЗЕМНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РОСТА КРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ КОСМИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

© Ю.А.Серебряков, В.И.Стрелов, В.С.Сидоров, И.А.Прохоров, Е.Н.Коробейникова, В.Н.Власов, В.К.Артемьев, В.И.Фоломеев
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2010 г.

Невесомость представляет собой уникальную технологическую среду для фундаментальных исследований процессов кристаллизации и получения высокосовершенных кристаллов. Высокая стоимость космических экспериментов должна окупаться в первую очередь тем, что получаемые результаты и фундаментальные знания необходимо использовать для совершенствования наземных и космических технологий роста кристаллических материалов с высокой однородностью структуры и свойств.

Ослабление интенсивности конвекции в расплаве и переход к ламинарным течениям позволяют получить более стабильные, воспроизводимые условия роста и, соответственно, более однородные кристаллы. В космосе при практическом отсутствии термогравитационной конвекции естественным образом может осуществляться переход к диффузионным условиям тепломассопереноса в расплаве. В этом случае рост кристаллов будет происходить на основе процессов самоорганизации и самосборки атомов. Однако для этого необходимо принять меры для исключения влияния не только остаточных микроускорений и вибраций на борту космического аппарата, но и капиллярной конвекции Марангони. Анализ результатов космических экспериментов и наземные модельные исследования влияния указанных факторов позволили более детально установить их роль и условия минимизации их воздействия для развития космических технологий. Комплекс технических и технологических приемов для исключения капиллярной конвекции Марангони и минимизации виброускорений был использован при проведении космического эксперимента по направленной кристаллизации GaSb:Te на автоматическом космическом аппарате «Фотон-М» № 3.

Полученные результаты были использованы для совершенствования наземных технологий роста высокосовершенных кристаллов полупроводников. Основу экспериментального подхода составляет модифицирование вертикального метода направленной кристаллизации с обеспечением осесимметричного, близкого к плоскофронтальному, подвода тепла к расплаву сверху с радиальным градиентом на торцевой поверхности расплава  1 К/см. При этом интенсивность естественной конвекции в расплаве согласно проведенным расчетам [см. Serebryakov Yu.A., Prokhorov I.A., Vlasov V.N. et al. // Journal of Crystal Growth. 2007. Т. 304. № 1. С. 11–21] уменьшается на 2-3 порядка по сравнению с обычным методом Бриджмена с боковым нагревом, и при исключении свободной поверхности расплава обеспечиваются условия, близкие к диффузионному массопереносу. Это позволяет также уменьшить влияние внешних возмущений (вибраций) на однородность структуры и свойства выращиваемых кристаллов. В совокупности реализация такого режима обеспечивает рост кристаллов с высокой однородностью свойств. На основе разработанной математической модели была проведена оптимизация тепловых условий кристаллизации полупроводниковых материалов для достижения близкого к диффузионному режима роста монокристаллов. Исследования выращенных в подобных условиях монокристаллов Ge:Ga и GaSb:Te показывают, что при реализации условий тепломассопереноса, близких к диффузионному, обеспечивается более высокое качество выращиваемых монокристаллов.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Калужской области (проекты № 09-02-97516 и № 09-01-97529).